Corso “DOMOTICA ED EDIFICI INTELLIGENTI” – UNIVERSITA’ DI URBINO
Docente: Ing. Luca Romanelli
Mail: [email protected]
Domotica e multimedialità
Trattamento e compressione di contenuti multimediali
Domotica ed edifici intelligenti – Università di Urbino
1
Audio/video - analogico e digitale
In una abitazione si pone spesso il problema di
trasportare audio e video
diffusione della musica in vari ambienti,
riproduzione di film in schermi disposti lontano dalla sorgente,
Mostrare le riprese del videocitofono,
Ecc.
Talvolta si devono stendere appositi cablaggi per il
trasporto di audio/video analogici;
Talvolta si può usare un bus digitale esistente (bus
domotico o bus TCP/IP) – audio/video digitali
2
Audio/video - analogico e digitale
Considerando di dover descrivere in modo digitale
l’onda che rappresenta un suono (figura di sinistra)
possiamo disegnare una griglia (figura di destra) e
considerare il valore dell’ordinata dei punti di incontro
tra griglia e onda.
1,5
1
1,5
0,5
1
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33
0,5
-0,5
0
1
-1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33
-0,5
-1,5
-1
-1,5
3
Audio digitale
Il campionamento
La descrizione numerica dell’onda
rappresentata nella figura precedente è
mostrata sulla destra
Dalla descrizione digitale è possibile
risalire all’onda
Risulta evidente che l’onda ricreata
dalla descrizione digitale risulterà simile
a quella di partenza quanto più
è fitta la griglia - > frequenza di
campionatura
è precisa la misura dell’ordinata
(maggiore numero di decimali o di bit) –
> PROFONDITA’
17
-0,9614
1
0,841471
18
-0,75099
2
0,909297
19
0,149877
3
0,14112
20
0,912945
4
-0,7568
21
0,836656
5
-0,95892
22
-0,00885
6
-0,27942
23
-0,84622
7
0,656987
24
-0,90558
8
0,989358
25
-0,13235
9
0,412118
26
0,762558
10
-0,54402
27
0,956376
11
-0,99999
28
0,270906
12
-0,53657
29
-0,66363
13
0,420167
30
-0,98803
14
0,990607
31
-0,40404
15
0,650288
32
0,551427
16
-0,2879
33
0,999912
4
Audio digitale
Per descrivere un’onda audio occorre quindi fornire i
valori dell’ordinata dell’onda rilevata più volte al
secondo
Per una registrazione di altissima qualità si usano
decine di misurazioni al secondo (griglia fitta)
misure accurate = numeri con molti decimali
Un CD audio standard usa numeri di 16 bit e una
griglia di 44˙100 Hz (44˙100 misure al secondo)
5
Audio digitale – perché 44.100 Hz ?
• Il suono udibile va circa da 20 a 20.000 Hz [vedi
curva di Fletcher & Manson]
• Per il teorema del campionamento di NyquistShannon per campionare un segnale con quella
banda, senza perdita di informazione, occorrono
quindi 40.000 punti.
• Se si perde anche solo un punto si perde parte della
frequenza udibile.
• E’ stato aggiunto a 20.000 Hz un semitono arrivando
a 22.050 Hz e quindi 44.100 campioni.
6
Audio digitale – dinamica
• La dinamica è la differenza tra il valore del volume
massimo e di quello minimo di un programma
sonoro
• Ad esempio: la chitarra è meno dinamica del
pianoforte.
• La dinamica di un supporto musicale (audio
cassetta, vinile, CD, DVD) è data tra la differenza tra
il rumore di fondo (fruscio) proprio del supporto e il
volume massimo che può emettere senza
distorcere.
7
Il Decibel
ll decibel (simbolo dB) è un'unità di misura di tipo
logaritmico che esprime il rapporto fra due livelli di cui
uno, quello al denominatore, preso come riferimento;
È un sottomultiplo del poco usato Bel: 10dB = 1B.
La differenza in dB fra due numeri (o due grandezze
fisiche dello stesso tipo), come due potenze N1 e N2:
La dinamica di un segnale viene espressa in decibel,
come rapporto fra l'ampiezza massima e quella minima
che assume lungo l'arco della sua durata
8
Perché 16 bit di profondità?
Un “tutto” [fff fortissimo] orchestrale può arrivare a 120 dB spl
(Sound Pressure Level)
L’orecchio umano ha circa 20 dB di rumore interno
Per creare un supporto che si avvicini al valore del “tutto”
orchestrale occorre ottenere una dinamica di circa 100 dB che
sommato ai 20 dB (rumore di fondo dell’orecchio) si arriva appunto
ai 120 db
Da questi calcoli (e altri calcoli) si deriva che 16 bit sono sufficienti
per ottenere una buona dinamica
La dinamica dei supporti musicali
Di un’audio cassetta è circa 60 dB (deci Bell)
Di un vinile è circa 76 dB
Di un CD è esattamente 96 dB (ottenibili con 16 bit)
DVD audio (ottenibili con 24 bit - 192 KHz)
9
Capienza di un CD standard
Per un secondo di audio (qualità standard di un “CD
audio“) occorrono 44˙100 misure ciascuna di 16 bit (2
byte)
Un’ora di audio
= 44˙100 x 3˙600 sec. x 2 byte =
317˙520˙000 byte
Un’ora di audio stereofonico (2 canali – destro e
sinistro) =635˙040˙000
Ovvero 606 MB
Un CD standard contiene 650 MB = 74 min
10
Bitrate di un CD
Per bitrate si intende il numero di bit che ogni secondo
di suono consuma e si misura con bps (1.000 bps=1
Kbps)
Per un secondo di audio (qualità CD standard) occorre:
44˙100 misure ciascuna di 16 bit per 2 canali
(stereo) cioè 1.411.200 bps ovvero circa 1.378 Kbps
11
Grafica digitale
Pixel bianco
Analogamente all’audio per
digitalizzare un’immagine la si
considera inserita in una griglia
e si associa un numero ad ogni
colore presente nel disegno
Ogni quadratino (detto pixel)
della figura ha un colore e
quindi un numero che lo
rappresenta.
La sequenza dei numeri
associati ai pixel è la
rappresentazione digitale
dell’immagine
Pixel grigio
12
Metodi per indicare il colore
Tecniche comuni per indicare i colori sono quelle che a
partire da pochi colori fondamentali indicano la quantità
di ogni colore (aggiuntivo o sottrattivo).
Esempio:
RGB (Red, Green, Blue) -valore da 0 a 255
“EAC42C” indica 234 di rosso, 196 di verde e 44 di blù
“000000” assenza di colori = nero
“FFFFFF” Presenza completa dei colori = bianco
CMYK (Ciano, Magenta, Giallo, Nero) – in percetnuale
C 10% - M 20% - Y96% - K 0% = RGB “EAC42C”
0%,0%,0%,0% = bianco
100 % di tutti i colori = nero
13
Qualità di una immagine
La figura presa in esame ha solo 5 colori; una fotografia
può avere migliaia di colori (sfumature)
Analogamente alle tecniche per digitalizzare l’audio,
risulta evidente che la figura ricreata dalla descrizione
digitale risulterà simile a quella di partenza quanto più
è fitta la griglia (risoluzione dell’immagine)
è precisa la misura del colore (maggiore numero di
bit)
14
Risoluzioni attuali
Le prime macchine fotografiche e i telefoni cellulari
(fotografi) avevano una risoluzione di
640*480=307.200 punti (VGA) con poche migliaia di
colori
I cellulari fotografi attuali arrivano a 3,2 Mpixel (oltre
3 milioni di pixel) con milioni di colori
Le macchine fotografiche attuali di qualità standard
usano risoluzioni intorno a 5Mpixel con punte di
20Mpixel per quelle professionali
Gli scanner in qualità standard usano 300 punti per
pollice, ma possono arrivare molto più su.
15
Animazioni (filmati)
Le animazioni sono sequenze di immagini (detti
fotogrammi o frame) mostrate in veloce sequenza (2030 fotogrammi al secondo)
Maggiore qualità si ottiene
Maggior numero di fotogrammi
Maggiore qualità di ciascun fotogramma
Maggiore qualità audio
16
Animazione (Film, TV,…)
L’animazione si ottiene con una rapida successione di
immagini…
Cinema 24 Fotogrammi per secondo (fps - Frame per
second)- risoluzione molto alta
TV Pal (Europa) 25 fps - 576 linee visibili (625)
TV NTSC (USA) 30 fps - 480 linee visibili (550)
Cinema amatoriale (super 8) 18-24 fps
Il numero di pixel per ogni riga è 720
Solo la TV usa frame interlacciati (si rinnovano prima le
righe dispari poi quelle pari)
17
Diverse dimensioni
La proporzione tra altezza e larghezza può essere diversa
Gli schermi sono spesso 4/3 o 16/9
I filmati hanno proporzioni ancora diverse (sono descritte nel retro dei
DVD)
I pixel sono quadrati nei 16/9 e rettangolari nei 4/3 (0,9375:1)
La misura di uno schermo si prende in diagonale
18
La risoluzione degli standard televisivi
Televisione tradizionale
NTSC < 480x720=345.700 (interlacciata)
PAL < 576x768=442.368 (interlacciata)
Televisione alta definizione (satellite)
Risoluzione 1024x768
Filmati con telecamere amatoriali
Risoluzione mediamente di 800.000 pixel
19
La risoluzione degli standard televisivi
20
Bitrate e trasmissione
Per ascoltare un CD audio il bitrate è 1.378 Kbps (Kilo
bit per secondo) ovvero 172 KiloByteyte al secondo
Per un filmato in qualità standard PAL occorre
trasportare (solo video senza audio):
576x768=442.368 pixel per frame
25 frame al secondo
442.368 x 25 = 11.059,200 Kilo pixel al secondo
Se ogni pixel viene rappresentato con 3 byte (RGB) la quantità
di byte è 33.178 Kbyte per secondo ovvero 256.420,8 Kbit per
secondo
A questo va aggiunto l’audio
21
Rapporto qualità / grandezza del file
Per ottenere qualità:
Audio
• > frequenza di campionatura e > profondità
• Cioè maggior numero di bit (al secondo)
Immagine
• > risoluzione e > precisione del colore
• Cioè maggior numero di bit
Animazione
• > qualità dei fotogrammi, > qualità audio - > numero di
fotogrammi
• Cioè maggior numero di bit (al secondo)
Per trasportare (e memorizzare) audio/video di qualità
occorre utilizzare bus veloci non sempre compatibili con
i bus domotici
22
Compressione
Per trasmettere un audio/video in tempo reale occorre
un bus dati molto veloce; ma…
È possibile memorizzare file di testo, un’immagine,
un’animazione con buona qualità e poi con i metodi di
compressione ridurre lo spazio necessario per
memorizzarlo (e quindi per trasmetterlo). Quando però
dovremo utilizzare il file, dovremo riportare il file alla
grandezza originale per ottenere la qualità di partenza
23
La compressione dei file
Quando serve ridurre lo spazio occupato da archivi,
possiamo utilizzare il metodo della compressione tenendo
presente che:
Un file compresso richiede solitamente minore spazio per la
memorizzazione (e < velocità per la trasmissione)
Un file compresso richiede sempre maggiore tempo di calcolo
per l’elaborazione
Non sempre riusciamo a comprimere un file risparmiando spazio
(es.: comprimere un file già compresso produce un file di
maggiori dimensioni)
Esistono numerosi metodi di compressione che devono essere
scelti in base alla tipologia del file da comprimere
Alcuni metodi non perdono informazione, mentre altri possono
perdere le informazioni meno utili
24
Utilità della compressione
Comprimere file può servire per:
Permettere di registrare un archivio un un supporto (es.:
un dischetto) che contiene meno caratteri (byte) di
quelli che formano il file
Archiviare vari file senza occupare troppo spazio disco
Permettere la trasmissione di grossi archivi attraverso
una rete non abbastanza veloce per ottenere tempi
ragionevoli
25
Compressione dei file con metodo RLE
RLE (Run-length encoding) - metodo adatto alla
compressione di archivi testo e immagini.
Il meccanismo alla base consiste nell’ eliminare i
caratteri ripetuti più volte, sostituendoli con un
marcatore, il carattere ripetuto ed il numero delle
occorrenze soppresse
Già utilizzato nei fax, in epoca precedente le
elaborazioni grafiche al computer.
Può essere utilizzato efficacemente su qualunque file
dove si trovino lunghe sequenze dove lo stesso byte
viene ripetuto.
26
Compressione dei file – tabella P non compressa
Nome
Cognome
Tabella P
Città
Provincia
Attività
11111111112222222222333333333344444444445555555555666666666677777777778
12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
Giovanni Bianchi
Castellammare di Stabia Napoli
Perito Industriale
Aldo
Neri
Asciano
Siena
Perito Industriale
Mario
Rossi
Castellammare di Stabia Napoli
Ragioniere
Giuseppe Verdi
Busseto
Parma
Musicista
Riccardo Muti
Milano
Milano
Musicista
...............................................................................
Domenico Parlanti
Milano
Milano
Perito industriale
Vittorio Gasman
Roma
Roma
Attore
Nino
Taranto
Napoli
Napoli
Attore
Tracciato record:
Nome (25 caratteri) – Cognome (25 caratteri) - Città (31 caratteri) - Provincia (15 caratteri) Attività (20 caratteri)
Num. righe: 15.000 (25+25+31+15+20 car. per 15.000 righe=1.740.000 car.)
Nota: non si può memorizzare P su floppy da 1440 KB
27
Compressione dei file – tabella P compressa con metodo RLE
Tabella P
Nome
Cognome
Città
Provincia
Attività
11111111112222222222333333333344444444445555555555666666666677777777778
12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
Giovanni# 17Bianchi# 18Castellammare di Stabia# 8Napoli# 9Perito Industriale
Aldo# 21Neri# 21Asciano# 24Siena# 10Perito Industriale
Mario# 20Rossi# 20Castellammare di Stabia# 8Napoli# 9Ragioniere# 10
Giuseppe# 17Verdi# 20Busseto# 24Parma# 26Musicista# 6
Riccardo# 17Muti# 21Milano# 25Milano# 6Musicista# 6
...............................................................................
Le righe azzurre sono state aggiunte per facilitare il conteggio del caratteri
Consideriamo come marcatore il carattere “#” e gli spazi ripetuti in ogni
campo: dopo il nome della prima riga segue il marcatore, uno spazio (il
carattere soppresso) e il numero degli spazi soppressi - non tutti i campi
possono essere compressi (come ad esempio quello dell’attività) perché
altrimenti diverrebbero più lunghi
28
Compressione dei file – tabella P compressa con metodo RLE
Tabella P
Nome
Cognome
Città
Provincia
Attività
11111111112222222222333333333344444444445555555555666666666677777777778
12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
Giovanni# 17Bianchi# 18Castellammare di Stabia# 8Napoli# 9Perito Industriale
Aldo# 21Neri# 21Asciano# 24Siena# 10Perito Industriale
Mario# 20Rossi# 20Castellammare di Stabia# 8Napoli# 9Ragioniere# 10
Giuseppe# 17Verdi# 20Busseto# 24Parma# 26Musicista# 6
Riccardo# 17Muti# 21Milano# 25Milano# 6Musicista# 6
...............................................................................
Righe non compresse lunghe 25+25+31+15+20=116
Le prime cinque righe sono di 76, 54, 67, 53, 51 che mediamente viene
circa 60 caratteri a riga ossia il 52% dell’originale.
Possiamo ipotizzare che tale risparmio sia uguale a quello di tutto il file
che prima occupava 1,7 Mbyte e quindi compresso al 52 % diviene 884
Kbyte
29
Considerazione sul metodo di compressione RLE
Dato il file compresso è facile tornare al file
Pixel bianco
originale (espansione del file)
Comprimere un file con questo metodo e poi
espanderlo non comporta nessuna perdita di
informazioni
Il metodo di compressione RLE, funziona
egregiamente anche per archivi che rappresentano
una immagine:
I dati numerici di un file immagine
rappresentano il colore di un puntino detto
“pixel”
Tutte le zone di ugual colore, quando
compresse, verranno rappresentate da un
marcatore, dal valore del colore e dal numero di
punti che formano la zona
Pixel grigio
30
Altri metodi di compressione
L'algoritmo RLE (Run Lenght Encoding) sopprime sequenze
ripetute di un carattere sostituendole con solo 2 caratteri.
Efficiente se molti caratteri ripetuti
L'algoritmo Huffman - anno 1952 - sostituisce i caratteri meno
frequenti in un file con una codifica lunga e quelli più frequenti con
una codifica corta ottenendo una compressione del file.
Efficienza se differenza di frequenza di caratteri elevata
L'algoritmo LZW (Lempel-Ziv-Welch) - anno 1977/1984 – Crea un
dizionario di codifiche delle stringhe che si ripetono in un file e
sostituisce tali stringhe con il simbolo. Metodo proprietario di Unisys.
31
Metodi di compressione lossless e lossy
I metodi (lossless) sopra accennati (RLE, Huffman,
LZW) permettono di ricostruire il file originale senza
nessuna perdita di informazione
Non sempre sono applicabili (non sempre fanno
risparmiare spazio)
Richiedono tempo macchina aggiuntivo per elaborare
un file
Esistono altri metodi (lossy) che a fronte di perdita di
dati meno significativi permettono risparmi molto
maggiori
Il “fattore di compressione” (compression rate) è il
rapporto tra la grandezza in byte del file non compresso
e la grandezza dello stesso file compresso
32
Grafica
I files grafici si possono comprimere utilizzando
i metodi appena descritti
Inoltre:
Si possono utilizzare “tavolozze di colori” meno
ricche (minor numero di colori). Il numero di bit
necessari per rappresentare tutti i colori di una
tavolozza ridotta è sicuramente minore di quello
necessario per rappresentare la tavolozza completa.
Si possono utilizzare altri algoritmi più complessi che
ricercano elementi che si ripetono.
33
Compressione grafica
• In generale una fotografia ha moltissimi colori (sfumature)
• Non si perde moltissimo se dimezziamo la quantità di colori
considerando uguali quelli più simili.
• Le due figure sotto hanno un diverso numero di colori e uguale
risoluzione, ma a causa della qualità dello schermo o del
proiettore possono risultare uguali. In stampa sono decisamente
riconoscibili.
64 colori
Milioni di colori
34
Considerazioni sulla risoluzione
Tanto più fitta è la rete che applichiamo (detta
risoluzione) tanto più bella risulta l’immagine e
tanto più spazio occorre per memorizzare il file (si
memorizza un maggior numero di pixel)
Quando si spedisce una immagine attraverso la
rete destinata ad uno schermo, non conviene
utilizzare definizioni più alte di quelle che lo
schermo è in grado di mostrare (tipicamente
intorno a 100 pixel per pollice)
Quando si vuole stampare un testo si deve
utilizzare almeno una risoluzione di 300 punti per
pollice
Se si stampano fotografie si inizia con 600 pixel
per pollice, ma se si vuole un buon risultato si
arriva anche a 1200 e oltre
Con un semplice calcolo si può verificare che i file
diventano enormi
Si utilizzano sistemi di compressione consoni
Pixel bianco
Pixel grigio
35
Compressione grafica
Pixel bianco
Le sequenze di punti bianchi (come quelle dei
grigi) possono essere compresse con
l’algoritmo RLE
Nell’esempio della figura a destra anche
utilizzando una buona risoluzione si otterrebbe
una grande compressione essendo la figura
composta da soli 5 colori (nero, bianco, rosso,
grigio e color carne).
In generale fumetti e cartoni animati non hanno
molti colori
36
Pixel grigio
Compressione grafica lossy
GIF (Graphic Interchange Format) Riduce il numero di
colori (da 2 se bianco/nero a 256 massimo) e applica la
compressione LZW. Royalties dovute a Unisys per LZW
[.gif]
JPEG (Joint Photographic Expert Group, 1986 ) una
complessa serie di algoritmi, approvata come standard
ISO nell'agosto del 1990. Applica la compressione
Huffman. [.jpg]
JPEG 2000 Successore di JPEG. [.jp2]
PNG (PNG’s Not GIF) Efficienza senza royalties
37
GIF Compuserve
GIF (Graphic Interchange Format) introdotto da Compuserve nel
1987
Riduce il numero di colori
partendo dai classici 24 bit del sistema RGB si arriva a 2 se
bianco/nero o a 256 colori al massimo)
successivamente applica la compressione LZW.
Royalties dovute a Unisys per l’uso del metodo di compressione
LZW (Royalties scadute il 1 ottobre 2006)
Si ottiene perdita nella precisione del colore, ma non nella
qualità
[Estensione:”.gif”]
38
PNG
(Portable Network Graphics)
Il PNG è stato creato nel 1995 da un gruppo di autori indipendenti,
dopo che i detentori del brevetto LZW (usato per GIF) nel 1994,
dopo averlo ignorato per molti anni, decisero improvvisamente di
chiedere un pagamento per ogni programma che lo utilizzasse.
è stato approvato il 1 ottobre 1996 dal World Wide Web
Consortium (W3C), come oggetto del Request for Comments
(RFC) 2083.
Scherzosamente dicono che l’acronimo significa: “PNG’s Not GIF”
Migliora le qualità di GIF anche se molto simile
Estensione: ”.PNG”
39
JPEG e JPEG2000
Pixel bianco
Pixel grigio
(Joint Photographic Experts Group)
La compressione Jpeg implica una perdita di
informazioni
un comitato ISO/CCITT che ha definito il
primo standard internazionale
La compressione JPEG riesce a comprimere
più o meno a seconda della qualità richiesta
dall’utente
Se si chiedono compressioni spinte verranno
considerati uguali anche pixel con lieve
variazione di colore e la figura, pur non
perdendo risoluzione, mostrerà evidenti segni
di “retinatura”
Con livelli meno spinti di risoluzione la perdita
di informazione e di qualità risulta irrilevante
e la compressione rimane comunque buona
Jpeg 200 evoluzione di Jpeg - molto più
efficiente. Estensione:”.JPG”
40
JPEG e JPEG2000
Pixel bianco
(Joint Photographic Experts Group)
La compressione Jpeg implica una perdita di
informazioni
un comitato ISO/CCITT che ha definito il primo
standard internazionale
La compressione JPEG riesce a comprimere
più o meno a seconda della qualità richiesta
dall’utente
Se si chiedono compressioni spinte verranno
considerati uguali anche pixel con lieve
variazione di colore e la figura, pur non
perdendo risoluzione, mostrerà evidenti segni di
“retinatura”
Con livelli meno spinti di risoluzione la perdita di
informazione e di qualità risulta irrilevante e la
compressione rimane comunque buona
Jpeg 200 evoluzione di Jpeg - molto più
efficiente. Estensione:”.JPG”
41
Pixel grigio
Compressione video - Principi generali
Ogni fotogramma può essere codificato con i metodi visti
per la grafica
Inoltre:
Ad ogni fotogramma può essere soppressa la parte uguale al
fotogramma precedente
Possono essere individuati oggetti che si muovono e descritti
una sola volta (ma va descritto il movimento e la parte di
sfondo che lascia scoperta muovendosi…)
42
MPEG
Motion Picture coding Experts Group - Gruppo di
lavoro delle organizzazioni per la definizione di
standard ISO/IEC
Gli standard MPEG (Audio/video) fanno complicate
analisi dei segnali per eliminare componenti non
facilmente percepibili (compressione di tipo percettivo)
Le analisi dei metodi MPEG sono resi possibili dalle
attuali potenze dei processori
Richiedono in generale tempi relativamente lunghi per
la codifica e tempo reale in decodifica
43
Compressioni per audio/video
Una esigenza comune degli audio/video è quella di permettere algoritmi
semplici (veloci da eseguire) per la decompressione anche a scapito della
velocità con cui si può comprimere (la compressione di un film in MPEG2 per
la registrazione di un DVD impiega molte ore di macchine potenti, mentre la
decompressione viene eseguita in tempo reale dai lettori DVD mentre si
guarda il film)
Le tecniche di compressione audio/video sono molto raffinate. Esempio:
In una sequenza di fotogrammi di ogni fotogramma (escluso il primo) si
registra solo la parte che differisce dal precedente. Si riprende un oggetto
in movimento da lontano con una telecamera fissa, solo le sequenze
dell’oggetto (che rappresenta una minima parte dello schermo) vengono
registrate; si può notare durante le trasmissioni televisive via satellite, che
quando il panorama è fermo la trasmissione è ottimale, mentre quando si
sposta la telecamera avvengono strani scatti e la risoluzione peggiora
In certe compressioni audio (MP3) il compressore esegue una
dettagliatissima analisi del file ed arriva a eliminare le frequenze più deboli
se sovrastate da frequenze vicine potenti perché non sarebbero
44
comunque udibili
Compressioni per audio/video
1992
Video CD (2 Cd per 1 film) - Qualità inferiore alla TV simile a quella VHS - 3
livelli (Layer) - Famoso MP3
MPEG 2
TV Digitale (Satellitare, terrestre, ecc) - DVD (1 DVD per 1 film)
MPEG 1
1994
(TV vari sistemi digitali: DVB-T, DVB-C, DVB-H, DVB-S)
MPEG 3
Pensato per TV ad alta definizione non ancora sviluppato
MPEG 4
Utilizzato per HDTV - oggetti composti separatamente con possibilità
di esclusione - Famosi AAC (Advanced Audio Coding), DivX e XviD
1999
MPEG 7
2001
Per rappresentazione, filtraggio, gestione di informazioni multimediali
MPEG 21 È in studio per evitare pirateria
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Compressioni per audio/video: MPEG
Mpeg Versione 1 tipicamente utilizzata sui video-CD con scarso
successo in quanto
Un film di 120 minuto può essere memorizzato in due CD
Per contenere lo spazio la qualità non era significativamente
superiore a quella di un nastro VHS
Per non dover comprimere ulteriormente a discapito della
qualità non si può aggiungere l’opzione multilingua
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Codec
I codec (Codifica e decodifica) sono componenti
software preposti alla codifica e decodifica di filmati e di
audio. La loro qualità è fondamentale
Si usano con programmi adatti alla compressione
(conversione) di audio/video o adatti alla visualizzazione
Esempio di programmi freeware per s.o. MacOS o MS
Windows:
Itunes (audio)
Windows Media Player (audio/video)
QuickTime (audio/video e codificatore)
Videolan (video)
VirtualDub (programma codificatore solo PC), (NeroPC/Toast-MacOS codifica e masterizzazione)
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Alcune applicazioni per trattamento audio / video
MacOS:
DVDripper
- IRipDVD
- MacTheRipper
HandBrake
- D-vision
Windows:
VirtualDub
- DivX video duplicator (Easy/Pro)
In gergo Rippare (To rip = strappar via, rapinare) significa estrarre
l’informazione da un DVD
ATTENZIONE! In molti paesi copiare DVD commerciali non è
legale! È possibile copiare solo materiale di nostra proprietà come i
filmati di telecamere (vedi legge Urbani - particolarmente severa su
scaricamenti da Internet peer-to-peer) La legge è ancora soggetta
a modifiche: si tende a permettere registrazioni televisive e copie
personali, ma c’è ancora confusione anche tra gli addetti ai lavori
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Formati Audio più comuni
MP3 (Mpeg 1)- il più conosciuto (vedi prossimi lucidi)
Wave (AIFF)- audio non compresso di varie qualità
16 bit - 22 KHz qualità “Radio FM”
16 bit - 44,1 KHz qualità “CD audio”
16 bit - 48 KHz qualità “DVD Video”
24 bit - 192 KHz qualità “Dvd audio”
Wma (Windows media audio) esiste anche in versione
lossless (compressione circa 50%). In versione lossy è
più efficiente di MP3: 96 Kbs paragonabile a MP3 128
Kbs
AAC (Mpeg 4) 96 Kbs paragonabile a MP3 128 Kbs (vedi
prossimi lucidi)
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Codifica MPEG 1 Layer 3 (MP3)
MP3 (audio) diventa famoso perché utilizzato in internet
per scaricare musica e per streaming.
Molta compressione (circa 1 Mb a minuto contro i 10
dell’AIFF dei CD) e buona qualità.
Il layer III usa la codifica Huffman per la compressione
lossy
Esistono in commercio lettori / registratori MP3 anche a
bassissimo costo quindi grande diffusione.
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Bitrate di audio Mp3
Un segnale audio digitale di un Mp3 di qualità
Cd ha un bitrate di 128 Kbps (Bitrate del CD
circa 1.378 kbps)
64 kbps qualità mediocre;
112 kbps suono sufficientemente buono;
128 kbps molto vicini all’originale;
160 e 192 kbps non è possibile percepire differenze
con l’originale;
256 kbps soddisfa anche le esigenze dei più
“sensibili” audiofili
51
AAC (Advanced Audio Coding) e altri codec audio
AAC confrontabile con MP3 (AAC a 96 kbps ha stessa qualità di MP3 a
128 kbps)
Licenza necessaria solo per produttori di HW/SW commerciale - la
concorrenza si basa sul costo dei due
Presente in Itunes (e IPOD): si può selezionare Mp3 o AAC
Vedi articolo “Comparing AAC, MP3 and TwinVQ Lossy
Compression of Audio”
Altri codec audio
Microsoft Windows Media 4.
AAC - implementation by FhG-IIS.
MP3 - or close to it, by Opticom.
Q-Design Music Codec 2 - prototype version of that for Quicktime.
Real Networks 5.0.
Real Networks G2. Newer, widely used system based on "DolbyNet".
Yamaha Sound VQ
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MPEG 4 (DivX e XviD)
Sistema studiato in Microsoft per fare streaming e uscito
abusivamente.
Sviluppo di DivX come standard proprietario che, apportando
variazioni, rendeva legale il sistema uscito da Microsoft
XviD nato in concorrenza di DivX, ma open source
Codec DivX (adware) e XviD (freeware)disponibili gratuitamente
Stessa qualità di Mpeg 2 ma compressione 3 volte superiore
Ogni rilascio tende a migliorare le prestazioni del precedente e del
concorrente…
In vendita molti lettori DVD compatibili con DivX e XviD.
53
MPEG 4 (DivX e XviD)
Prima versione MS-MPEG4 codec (non permetteva la codifica da
parte dell’utente
DivX 3.xx illegale evoluzione di MS MPEG-4
DivX 4.xx legale evoluzione
DivX 5.xx ultima versione (5.21)
DivX 5.21 PRO a pagamento
DivX 5.21 adware (in certe vers. meno potente del PRO)
DivX 6.xx in fase di realizzazione dovrebbe permettere
molta più qualità
XviD (Open source) creato con lo scopo di rendere
gratuito il codec e superare in qualità DivX
I lettori di DVD in grado di leggere MPEG-4 in genere
sono compatibili con DivX e XviD
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Tipi di frame DivX
I-frame (Key frame) Fotogramma completo (almeno uno ogni nuova
scena). > k-frame = > spazio e > qualità
P-frame (Predicted frame) Solo differenze rispetto al frame precedente
B-frame (Bidirectional) Differenze rispetto al precedente e al successivo
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Lettori domestici di DVD
I lettori domestici DVD, anche se economici, ed i nuovi
Blu Ray o HD, sono ormai sempre compatibili con:
MPEG 2 - Normali DVD in commercio
MPEG 1 - Vecchi Video CD
MPEG 1 Layer 3 - MP3
MPEG 4 - DivX e XviD
JPEG - Fotografie digitali
Kodak PDC (PhotoCD)
…
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Ricadute della compressione
• Animazioni trasmesse via Internet come streaming e
come file
• Televisione via Web
• Televisione digitale (terrestre e satellitare)
• Trasmissione video su bus domotici non particolarmente
veloci e costosi, solo per applicazioni bassa risoluzione
(videocitofoni, teleconferenze, ecc.)
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Capienza CD e DVD
Codifica
Tipo
CD
(700 MB)
DVD
(4,7 GB)
MP3
128 Kbs
Audio
700 min
12 ore
80 ore
> 3 giorni
2 ore
12 ore
930 min
15 ore
106 min
> 4 giorni
DivX
XviD
AAC
96 Kbs
Qualità discreta
Video
Qualità discreta
Audio
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Corso “DOMOTICA ED EDIFICI INTELLIGENTI” – UNIVERSITA’ DI URBINO
Docente: Ing. Luca Romanelli
Mail: [email protected]
Domotica e multimedialità
La TV digitale e lo streaming
Domotica ed edifici intelligenti – Università di Urbino
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TV Digitale
La TV analogica in Italia verrà sostituita da quella digitale terrestre
Esperimento italiano per risolvere il problema della penuria di canali
analogici (vincoli strutturali)
TV analogica
51 frequenze - Ogni rete nazionale ne utilizza 3 - totale 17 r. n.
Legge 249/67:
11 reti nazionali a operatori nazionali (2/3)
6 reti nazionali a operatori regionali (1/3)
TV digitale
54 frequenze - Ogni rete nazionale ne utilizza 3 - totale 18 r. n.
12 reti nazionali a operatori nazionali
6 reti nazionali a operatori regionali
Ogni rete può trasportare 4/5 programmi di buona qualità o più di qualità
inferiore (20 : 5 = 4 Mbps)
Totale > 50 progr. naz. + > 25 progr. reg. per ciascuna regione
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DVB - Digital Video Broadcasting
L'acronimo DVB (Diffusione Video Digitale) rappresenta un insieme
di standard aperti ed accettati a livello internazionale, concepiti per
lo sviluppo e la diffusione della televisione digitale.
DVB Project, un consorzio industriale con più di 270 membri,
Comitato Tecnico Congiunto (Joint Technical Committee, JTC)
Istituto Europeo per gli Standard di Telecomunicazione (European
Telecommunications Standards Institute, ETSI),
Comitato Europeo per la Standardizzazione Elettrotecnica (European
Committee for Electrotechnical Standardization, CENELEC),
dell'Unione Europea per la Radiodiffusione (European Broadcasting
Union, EBU).
Questi standard possono essere scaricati gratuitamente dal sito
ETSI previa registrazione libera
61
TV Digitale
TV tradizionalmente “analogica”
vengono trasmesse sequenze di pixel
PAL: 625 righe x n pixel = t pixel
Lo standard digitale DVB (Digital Video Broadcasting) usa la
compressione Mpeg 2 e viene usato in 3 varianti:
DVB-T (digitale terrestre) 14-24 Mbps
DVB-S (da satellite) 38,015 Mbps
DVB-C (via cavo) 38,015 Mbps
In ogni canale transitano più programmi che quindi devono avere
un bitrate totale limitato. I singoli programmi sono codificati in Mpeg
2:
DVB-S e DVB-C: 4-6 Mbps (i Dvd usano 6-8)
DVB-T: < 2 Mbs (qualità VHS equivale a 1,5 Mbps)
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TV Digitale
Standard
Capacità max
trsmissione
Capacità utile
trsmiss.
Compress.
DVB-S
(satellite)
ETS 300 421
55 Mbps
38 Mbps
Mpeg 2
4-6 Mbps
DVB-C
(cavo)
ETS 300 429
27-41 Mbps
38 Mbps
Mpeg 2
4-6 Mbps
DVB-T
(terrestre)
ETS 300 744
39 Mbps
14-24 Mbps
Mpeg 2
~2 Mbps
DVD
-
-
Mpeg 2
6-8 Mbps
Video-CD
-
-
Mpeg 1
VHS
(analogico)
-
-
Equivalente
1.5 Mbps
DVB-H
(UMTS)
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TV Digitale
La TV digitale adotta tre diversi tipi di modulazione che permettono
adattamenti all’ambiente (monti, grandi superfici d’acqua, ecc.) e al
tipo di ricezione (mobile, con antenne a stilo, ecc.)
In generale la tv digitale o si vede bene (il ricevitore riesce a
decodificare i pacchetti che arrivano) o non si vede affatto.
A differenza dell’analogico, ricevere da due trasmettitori uguali non
diminuisce il segnale, ma lo aumenta.
A distanza <= 20 Km dal trasmettitore basta usare un’antenna
interna al ricevitore, oltre 80 Km non si riceve
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